资源简介

普 通 高 中 教 科 书
《通用技术》选择性必修11：产品三维设计与制造
第二章 三维产品技术分析
第二节 三维打印的材料
教学设计
教学背景
三维打印是近年来受到人们广泛关注的一项高新技术，被誉为开启新工业革命的钥匙，它的发明实现了人类的生产制造模式从等材、减材到增材的重大转变。由于其独特的优势，三维打印技术经历了30多年的发展仍方兴未艾，新技术、新材料、新应用仍源源不断问世，而且被广泛应用于工业制造、航空航天、医疗教育、艺术设计等领域，这一切都展示了三维打印技术强大的生命力和难以估量的发展前景。
教学目标：
知识与技能目标:
1.了解三维打印材料的类型。
2.了解三维打印材料的特性和用途。
教学内容分析:
教材分四章：三维打印原理、三维产品技术分析、三维模型设计和三维打印技术应用。由浅入深，带领同学们了解三维打印技术的产生和发展历程，了解三维打印的基本原理、设备的结构和操作方法；熟悉不同材料和成型工艺的特点，能结合产品设计要求制订合适的产品制作方案；学习三维建模，掌握三维模型设计的基本思路和方法；通过实践操作教学，设计和制作出哨子、台灯等立体模型。
学情分析:
学生对三维打印的了解认识有限，面对未来，他们需要学习有关三维打印的知识。
教材注重发展同学们的核心素养。通过了解三维打印的原理及其应用，感悟三维打印技术对人们生产、生活的影响。选取能突出反映三维打印特点的案例，通过对不同工艺的对比，让同学们深刻体会三维打印技术和传统制造技术的区别，帮助同学们树立技术意识。所选案例贴近日常生活，方便同学们学以致用，在制订方案的过程中，引导同学们从实际出发，具体问题具体分析，通过对比、权衡和优化得到最佳方案，以此培养工程思维。在实践操作教学中，帮助同学们较全面地掌握三维打印的设计技巧和制作方法，引导同学们思考与探究，从而提高实践能力和创新能力。
教学重难点:
了解三维打印材料的类型。
了解三维打印材料的特性和用途。
教学策略:
在教学过程中，注重对同学们科学态度、价值观的引导和培养。本书设计的案例、实践活动、思考、讨论等栏目充分融合了科技与人文理念，如为体育老师制作哨子、为母亲制作杯子、三维打印是否可取代传统制造业、三维打印文物仿品可否代替真品进行展览、三维打印器官的伦理思考等，引导同学们从社会、科技、人文等方面进行考虑，从而发展综合素养。
运用三维打印技术，不用依赖机床和车间，也不用削、钻、铸等手段，只要借助一台计算机和一台三维打印机，我们就能变成产品的设计者、制造者。让我们一起走进三维打印的世界，领略它的神奇与不凡；让三维打印技术成为我们的好帮手，助我们实现脑海中奇妙的构想吧。
教学准备:
展示用的图片、其他技术产品、多媒体课件。
教学过程:
情景导入:
老师：本节课我们学习《通用技术》选择性必修11：产品三维设计与制造　第二章 三维产品技术分析　第二节 三维打印的材料。
通过第一章的学习，同学们了解了三维打印的发展历史、概念原理及打印机的结构和操作方法。
实际上，由于打印材料的不同或材料叠加方式的多样，三维打印技术有很多种，人们根据不同的技术研发出了不同类型的打印机，这些打印机有的打印得快速，有的打印得精细，有的能打印金属，各有千秋。因此在开始打印操作之前，我们应该对三维打印的工艺和材料有全面的了解，掌握其特点。
在实际应用中，我们还应该从产品需求出发，根据不同工艺和材料的特点做出合理的技术分析，制订合适的三维打印制造方案。
一、材料的类型
在三维打印领域，可以用于打印的材料有很多，这些材料根据不同的物质形态可分为3类，其分类与设备的材料供应方式和材料的固化方式密切相关。
（1）固态线材：指加工成直径为1～2 mm的固体线形材料，通常以盘卷的方式储存包装，适用于熔融沉积成型工艺的三维打印机。常见的固态线材以热塑性高分子材料为主，如聚乳酸（PLA）线材，除此之外，一些复合材料、尼龙材料也可以加工成固态线材。
（2）固态粉末：指粒径小于1 mm的固体颗粒状材料，通常储存在三维打印机的粉末床中，适用于配有粉末床的激光选区烧结、三维喷涂黏结成型等三维打印机。常见的固态粉末有很多种，大多为金属粉末、石膏粉末、尼龙粉末，一些高分子材料也可以制成固态粉末。
（3）液态材料：指具有流动性、需要液体槽或料仓储存的液态材料。常见的三维打印液态材料是光敏树脂，适用于光固化立体成型的三维打印机。
除以上3种材料之外，近年来也有多种凝胶状的细胞材料、水凝胶材料问世，适用于化学交联固化和气压挤出成型工艺的三维打印机。
思考
观察下列的三维打印产品（如图2-8所示）（参见教材P21），你认为它们是用什么材料制作的？可能用到哪一种成型工艺？
二、材料的特点和应用
为了打印出能维持三维结构的立体实物，三维打印使用的原材料需要具备特殊的理化性质，如机械强度高、耐高温、耐腐蚀等特性。以下是目前常用的三维打印材料。
聚乳酸（PLA）：PLA是一种常用的打印材料，这种材料可以降解，十分环保，一般制成固态线材。PLA材料有多种颜色，并且还有半透明的红、蓝、绿等颜色以及全透明的材料（如图2-9所示）（参见教材P21）。由于PLA材料从打印喷头挤出之后需要立即凝固，因此打印喷头的加热温度设定在比PLA材料熔点高1～2 °C为宜。不同型号的PLA材料可能存在理化性质差异。
光敏树脂：又叫UV树脂，一般为液态，由聚合物单体与预聚体组成，其中加有光（紫外光）引发剂（或称为光敏剂），在一定波长的紫外光照射下可立刻引起聚合反应，完成固化（如图2-10所示）（参见教材P21）。
陶瓷：陶瓷材料具有高强度、高硬度、低密度、耐高温、耐腐蚀、化学稳定性好等优异特性，陶瓷粉末适用于激光选区烧结加工，在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用（如图2-11所示）（参见教材P22）。
金属：金属材料硬度高，成型后有较高的机械强度（如图2-12所示）（参见教材P22）。金属粉末适用于激光选区烧结加工。
三维打印的材料还在不断地发展。除了上述常用的材料，其他的打印材料包括水泥、砂石、纸浆，目前都已有研究和应用，具有十分广阔的应用前景。例如，用混凝土来打印房屋，初步实验已经可以打印出小型建筑或建材部件，也有人研究用木材或者纸浆来打印家具，纸浆可以利用回收的废纸加工获得。
探究
1. 查阅学习资料，还有哪些材料可以作为三维打印的原材料？了解这些材料的特点和用途。
2. 三维打印材料和三维打印技术之间有什么联系？
拓展阅读
三维打印之后的四维打印
正当三维打印方兴未艾之际，四维打印的概念已悄然跃入人们的视野。
四维打印，本质上是在三维空间的基础上增加一个时间的维度，利用一种能够自动发生变形的材料，只要给这种材料特定的环境条件（如温度、湿度、光照等），就能使它按照设计自动地定时折叠成相应的形状（如图2-13所示）（参见教材P23）。
四维打印最关键的不再是成型工艺的创新，而是在于“智能材料”的发展，目前主要的研究方向是“记忆材料”和“生物合金”。四维打印有广阔的应用前景，如利用四维打印，未来的防弹衣可能会变得小巧轻薄，便于储存和携带，不增加士兵的负重就可以提供全面的防护。
课后作业
习 题
三维打印的原材料利用率很高，但也会产生少量的废弃物。如制作悬空、镂空结构的模型时，我们需要添加支撑结构，在打印完毕后再将支撑结构去除。有人设计制作了一台废料粉碎机和一台简易拉丝机，将废弃的材料收集后用废料粉碎机碾碎，再倒入拉丝机中熔化塑形，拉出线材，实现废料的再利用。
这则案例给了你怎样的启发？通过本节内容的学习，你觉得还有哪些方法可以让三维打印制作变得更加节约环保？
板书设计
第二章 三维产品技术分析
第二节 三维打印的材料
一、材料的类型
二、材料的特点和应用
通用技术
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主 编 刘琼发
副 主 编：李 榕 周卫星 朱美健 席春玲
本 册 主 编：黄文华 欧阳汉斌
本册副主编：李鉴轶 关颖健
编 写 人 员：利时雨 戴振宁 李永欣 谢普生
广东教育出版社
广东科技出版社

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